第40回土木学会関東支部技術研究発表会 第Ⅰ部門
疲労強度評価のための溶接継手部前面の応力評価測定位置の検討
芝浦工業大学 学生会員 ○佐藤 嘉宏 合田 雄亮 芝浦工業大学 二ノ宮 康平 正会員 穴見 健吾
長手方向応力が1以上の部位に色付け
１．はじめに
溶接継手部の疲労強度や寿命を評価する場合, 一般的に公称応力と公称応力を用いて定義された 疲労強度等級が用いられる．しかし, 土木構造物の ような大型構造物などの溶接継手部では, 応力の 発生メカニズムが複雑な場合や, 局部的な変形に よって応力が発生する場合など, 設計計算により 求められる応力とは異なる応力が生じている場合 も多く, 解析や実測などにより応力を求める場合 もある．その際, 疲労強度等級と比較するための公 称応力の計測位置については, 溶接止端部から
10mmや1.0t（t:板厚）離れた位置とするような例
もあるが, 明確な測定位置は定められていない．溶 接継手部前面の応力分布（勾配）に影響を及ぼす 因子として, 溶接継手部による応力集中および局 部的な変形などが考えられるが, 本研究では, 応 力集中範囲（広がり）に注目し, 溶接継手形状が応 力集中範囲に与える影響について解析的に検討し た．対象とした継手は図-1,2 に示す十字溶接継手 と面外ガセット継手であり, 前者は二次元解析, 後者は三次元解析により図中の矢印で示す着目ラ イン上の長手方向応力分布を検討に用いた．解析
パラメータを表-1,2に示す．なお, 解析は長手方向一様引張載荷で行っ た．
図-1 十字継手モデル（二次元解析:1/4モデル）
主板厚小
２. 十字継手の応力集中の広がり
図-1に示すように, 十字溶接継手では板厚の増大に伴い, 応力集中の 範囲（長手方向応力が1以上の範囲）は拡大するが, 主板表面では主板 厚よりも狭い範囲に留まっている. 図-3 は止端部から 10mm 及び 1.0T 離れた位置の長手方向応力を主板厚で整理したものである．長手方向応 力は, 1.0T位置では主板厚に依らずほぼ1であるのに対し, 10mm位置で は若干ばらつきが見られた．しかし, 本研究の範囲内では公称応力との
誤差は2.5%程度に収まっていた．図-4 は, 応力集中係数が 1及び1.05
となる位置の止端部からの距離を主板厚で整理した結果である．応力集
中係数が 1, 1.05 になる位置は主板厚に比例して増大しており, 公称応
力の測定位置としては板厚の関数（例えば止端部から0.5T 以上離れた 位置）として与えることが妥当であると考えられるが, 応力集中係数が
1, 1.05 いずれの基準でも, 十字継手の場合には応力集中係数の範囲は
非常に狭く, 本研究の解析の範囲内では止端部から20mm程度離れると 全てのモデルで応力集中係数が1となっていた．
10 20 30
0 10
20 付加板厚 12 30
主板厚 T (mm)
止端部からの距離X (mm)
X=10mm X=1.0T
X=0.4T 1.0σn
1.05σn
10 20 30
0.9 1 1.1
主板厚 T (mm)
長手方向応力
公称応力=1
付加板厚 12 30 止端部から1.0T位置 止端部から10mm位置
＋5％
－5％
図-3 止端部から 10mm および 1.0T離れた位置の長手方向応力
図-4 応力収集係数が 1 となる位置 の止端部からの距離（十字継手）
キーワード：公称応力，十字継手，面外ガセット継手，疲労強度評価
連絡先：〒135-8548 東京都江東区豊洲3-7-5 芝浦工業大学土木工学科TEL03-5859-8352 e-mail: [email protected] 表-2 解析パラメータ (面外ガセット) (mm) 主板厚 12~50 ガセット長 80~1000 主板幅 112~1000 ガセット高 100, 500 脚長 6 止端半径 0.5 表-1 解析パラメータ
(十字継手) (mm) 主板厚 12~30 リブ厚 12,30 脚長（等脚） 6,8,12 止端半径 1
主板厚大
止端部 止端部
長手方向応力が1以上の部位に色付け
図-2 面外ガセット継手モデル（三次元解析）
止端部 止端部
主板厚小 主板厚大
ガセット長さ小 ガセット長さ大
第40回土木学会関東支部技術研究発表会 第Ⅰ部門
３．面外ガセットの応力集中の広がり
図-2 の例に示すように, 面外ガセット継手では種々の形状パラメータが止端部近傍の長手方向応力分布に 影響する．図-5,6はそれぞれ止端部から10mm及び1.0T離れた位置の長手方向応力を主板厚で整理したもの である．図中のプロットはガセット長さLで分類している．十字継手と比較して, 種々の形状パラメータが応 力分布に影響するためばらつきが大きく, 特に主板厚が小さくガセット長さが長いモデルでは, 公称応力の 1.7倍程度の大きな応力となっている．但し, 板厚が 50mm 程度ある場合, 板厚の関数である止端部から 1.0T 離れた位置で整理すると, 主板厚以外の形状パラメータに依らず応力集中係数は1.1程度に収まっている．
図-7,8はそれぞれ応力集中係数が1及び1.05となる位置の止端部からの距離を主板厚で整理した結果である．
ここでは主板幅 1000mm, ガセット高さ 500mm の継手の解析結果のみ示している．ガセット長さの増大に伴 い止端部からの距離は大きくなっており, その変化も非常に大きい．一方, 十字継手とは異なり, 主板厚の増 大に伴い, 止端部からの距離は小さくなっている．応力集中係数が1, 1.05となる位置のばらつきは非常に大き く, 解析の範囲内では前者でガセット長さが小さいモデル(80mm)から大きいモデル(1000mm) 50~800mmの間
で, 後者で20~350mmの間でばらつ
いており, 公称応力の測定位置を このような検討から決定すること は困難である．
しかし, 応力集中が1.05や1の領 域では応力勾配は非常に小さいと 考えられる．そこで, 止端部から
100mm, 200mmの位置を公称応力と
した場合にどの程度の誤差が生じ るかを検討した結果をそれぞれ図
-9, 10に示す．100mm位置では本解
析全体の 80%のモデルが形状パラ
メータに関係なく, +5%の誤差の範 囲内にあり, 特にガセット長さ, 主 板幅が小さく主板厚が大きいほど 誤差は小さくなっている．200mm 位置では 98%が形状パラメータ―
によらず誤差が+5%の範囲内であ り, ガ セ ッ ト 長 さ, 主 板 幅 が
1000mm 本解析の範囲内で最も大
きく, 主板厚が12mmと最も小さい モデルでも誤差は 10%以下であっ た.
と
４．まとめ
十字継手と面外ガセット継手の 形状の違いが応力集中の範囲に及 ぼす影響について検討し, 疲労強
度評価のための応力測定位置の検討を行った, 本研究の検討をまとめると以下のようになる．
20 40
1 1.5
主板厚 T (mm)
長手方向応力
20 40
0 100 200 300
主板厚 T (mm)
止端からの距離 X (mm)
図-10 止端部から200mm位置の 応力集中係数
（面外ガセット継手）
図-7 応力集中係数が 1 となる 位置の止端部からの距離
（面外ガセット継手）
80mm 100mm ガセット長さ
200mm
1000mm 500mm 400mm
図-8 応力集中係数が 1.05 とな る位置の止端部からの距離
（面外ガセット継手）
80mm 100mm ガセット長さ
200mm
1000mm 500mm 400mm
図-9 止端部から100mm位置の 応力集中係数
（面外ガセット継手）
図-5止端部から10mm離れた 位置の長手方向応力
図-6止端部から 1.0T離れた 位置の長手方向応力
20 40
1 1.5
(1)十字継手： 主板厚の増大に伴い, 応力集中範囲は拡大するが, その範囲は非常に狭い．
(2)面外ガセット継手：多くの形状パラメータが応力集中範囲に大きな影響を及ぼす．その傾向と, 止端部か
ら10mm, 1.0T, 100mm及び200mm離れた位置での応力と公称応力の差異の整理を行った．
謝辞：本研究では科学研究費基盤研究B(課題番号 22360174:研究代表者 魚本健人)の一環として行った
主板厚 T (mm)
長手方向応力
80mm 100mm 160mm 200mm
1000mm 500mm 400mm 300mm ガセット長さ 80mm
100mm 160mm 200mm
1000mm 500mm 400mm 300mm ガセット長さ
20 40
200 400 600
止端部からの距離 X (mm)
主板厚 T (mm)
20 40
0.9 1 1.1 1.2
主板厚 T (mm)
応力集中係数
+5％
+10％
20 40
0.9 1 1.1 1.2
主板厚 T (mm)
応力集中係数 +5％
+10％
1000mm 500mm 400mm 300mm ガセット長さ
1000mm 500mm 400mm 300mm ガセット長さ
